5G RedCap關鍵技術研究

技術前沿TechnologyFrontier5GRedCap關鍵技術研究5GRedCap關鍵技術研究ResearchonKeyTechnologiesof5GRedCapWangLulu，CaoGen，HanXiao，LiFuchang(ChinaUnicomResearchInstitute，Beijing100048，China)摘要：為滿足工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控和可穿戴設備的5G商用需求，3GPP從Rel-17開始開展5GRedCap新技術研究與國際標準制定工作。與eMBB終端相比，RedCap終端具備更低的復雜度/成本、體積更小、續(xù)航更強。首先介紹了RedCap峰值速率進行估算并研究其在不同頻段的應用特點，最后對5GRed-Cap的商用進行了分析和展望。關鍵詞：文章編號：1007-3043(2023)03-0010-05開放科學(資源服務)標識碼(OSID)：ed5GRedCapnewtechnologyresearchandinternationalstandardfromRel-17.ComparedwitheMBBterminals，RedCaptedKeywords：0引言5G在Rel-15/Rel-16定義的三大應用場景包括增強型移動寬帶(eMBB)、海量機器類通信(mMTC)和超高可靠低時延通信(uRLLC)。隨著5G網絡大規(guī)模商用部署，為了滿足工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控和可穿戴設備等中端物聯(lián)網應用的新需求，3GPP從設備尺寸、能耗、成本等方面，在系統(tǒng)設計和性能指標等方面提出新要求。收稿日期：2023-02-10102023/03/DTPTa備復雜度：對比Rel-15/Rel-16eMBB和uRLLC設備，大幅降低其復雜度和成本。b)設備尺寸：需滿足可穿戴設備對終端尺寸的緊湊型設計要求。c)部署場景：支持NR全部商用頻帶，支持FDD和TDD模式[1]。RedCap(ReducedCapability)即減能力的5G終端，它是5GRel-17版本定義的新終端類型。在滿足5G工業(yè)物聯(lián)網等新應用場景需求的前提下，RedCap技術方案通過簡化終端設計復雜度，簡化5G系統(tǒng)配置和相應的業(yè)務流程，實現(xiàn)降低RedCap終端芯片、模組的成5GRedCap關鍵技術研究技術前沿TechnologyFrontier本、降低終端功耗等目的。5G商用網絡可以提供滿足中低速物聯(lián)網新應用場景的業(yè)務需求，有助于擴展5GG3GPPRel-17中RedCap課題的標準化進程包括SI(StudyItem)和WI(WorkItem)[2-3]。SI階段的研究內容包括對RedCap的定義，潛在技術方向的討論，以及成本評估、覆蓋評估、能耗評估等結果，輸出報告為3GPPTR38.875[4]。WI階段從RedCap降復雜度方案、終端接入限制和終端節(jié)能等幾個關鍵技術進行標準RelRedCap目[5]，對RedCap采用更小帶寬的性能展開評估，進一步增強RedCap的降復雜度方案。1RedCap典型應用場景RedCap對標LTECat.4，要求下行峰值速率為150義的典型應用場景包括工業(yè)無線傳感器、視頻監(jiān)控和可穿戴設備，其性能要求如下。a)工業(yè)無線傳感器。5G商用網絡可助力工業(yè)數(shù)字化轉型，增加工業(yè)生產的靈活性，5G網絡互聯(lián)互通的特性可提升生產效率，降低維護成本，同時增強運營安全。工業(yè)互連的無線設備包括壓力傳感器、濕度這類設備的業(yè)務不僅包含對時延、可靠性要求較高的uRLLC業(yè)務，也包含相對低端的業(yè)務，對通信性能的oTuRLLCeMBB。系統(tǒng)設計指標速率要求小于2Mbit/s，可靠性要求為99.99%，端到端時延要求小于100ms，設備工作時保持靜止，電池可續(xù)航幾年。對于安全相關的傳b)視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控是智慧城市和工業(yè)的重要組成部分。5G視頻監(jiān)控可以更高效地監(jiān)控城市資源，收集和處理數(shù)據，為城市居民提供服務。視頻監(jiān)控的通信需求以上行傳輸為主，業(yè)務時延要求小于500ms；通信可靠性要求在99%~99.9%。經濟型視頻監(jiān)控的速率要求為2~4Mbit/s，高端型視頻監(jiān)控的速率要求為7.5~25Mbit/s[6-9]。c)可穿戴設備?？纱┐髟O備的應用案例包括智設備尺寸通常較小，設備的電池續(xù)航能力需要滿足若干天，下行參考速率為5~50Mbit/s，上行參考速率為2~5Mbit/s[6-9]。2Rel-17RedCap關鍵技術Rel-17RedCap關鍵技術包括終端降復雜度關鍵技術，終端接入識別和控制技術以及終端節(jié)能技術。2.1RedCap降復雜度技術終端設計復雜度與成本直接相關，從技術實現(xiàn)上降低RedCap復雜度，可直接降低終端設備的成本。降低RedCap終端復雜度技術。2.1.1減小帶寬對于R15/R16版本的5G終端，F(xiàn)R1頻段支持的最大信道為100MHz，F(xiàn)R2可支持的最大信道帶寬為400MHz。對于Rel-17RedCap終端，F(xiàn)R1頻段支持的最大信道帶寬減小為20MHz，F(xiàn)R2可支持的最大信道帶寬表1減少帶寬的終端成本評估制式參照組/MHzRedCap帶寬配置/MHz終端成本降低/%FR1FDD2032FR1TDD2033FR2400RedCap終端初始接入帶寬可與eMBB終端共享初始帶寬分段(BandWidthPart，BWP)，但為保證Red?Cap終端的性能，RedCap終端設計了全新的下行、上行初始BWP技術方案。對于下行鏈路，RedCap終端可配置獨立的初始下以和其他類型的UE共享相同的頻段資源。3GPP為RedCapUE引入獨立初始下行BWP技術，用于初始接入過程中和初始接入之后，允許RedCapUE和其他類型UE使用相同或不同的初始下行資源?？紤]到服務小區(qū)的多種測量和服務都集中在小區(qū)定義SSB(Cell-Defining-SSB，CD-SSB)，隨著RedCap終端類型的引入，為了避免所有的終端類型都把測量集中在CD-SSB附近的頻域資源內，造成資源擁塞，RedCap可支持基于非小區(qū)定義SSB(NonCell-Defining-SSB，NCD-SSB)進行服務小區(qū)測量的機制。RedCapUE占用帶寬較少，且位置更加靈活，考慮到RedCapUE的BWP內和兩側將分別配置PRACH資源和PUCCH資源，可能導致eMBBUE上行資源碎片化的問題，嚴重影響到其峰值速率。3GPP為RedCapUE引入獨立初始上行BWP技術，用于初始接入過程中和初始接入之郵電設計技術/2023/0311技術前沿TechnologyFrontier5GRedCap關鍵技術研究后，允許RedCapUE和其他類型UE使用相同或不同BWP配置在載波的邊緣位置，以避免出現(xiàn)由于Red?Cap較窄而引起的帶寬資源碎片化問題(見圖1)。UCCHPRACHRedCapWPUCCHPRACHRedCapWPWPPRACHUCCHRedCapWPUCCHUCCH圖1RedCap獨立初始上行BWP考慮到Msg4/B的PUCCH使用的資源為初始上行BWP的兩側，即使初始上行BWP配置在載波的邊緣，也可能導致FR1頻段內有20MHz的資源被碎片化的為RedCapUE配置獨立初始上行BWP時，網絡設備可以配置Msg4/B的PUCCH來實現(xiàn)跳頻傳輸方案，且PUCCH資源可映射到BWP內靠近邊緣PUCCH限的問題，RedCapUE可以配置使用頻域資源偏移參數(shù)，使RedCapUE和其他類型UE的PUCCH在頻域資源上不完全重疊。2.1.2減少天線數(shù)/MIMO層數(shù)終端射頻通道是終端成本的重要組成部分。減少RedCap終端的天線數(shù)可降低終端射頻收發(fā)機和基帶處理模塊的要求，直接降低成本。值得一提的是，隨著天線數(shù)的減少，RedCap終端可支持的MIMO層數(shù)也相應減少，即對于接收天線數(shù)為1Rx的RedCap終端，其支持的最大DLMIMO層數(shù)為1。對于接收天線數(shù)為2Rx的RedCap終端，其支持的最大DLMIMO層數(shù)為2。3GPP評估了由于天線數(shù)降低以及MIMO層數(shù)。在標準化制定過程中，對于RedCap在FR1TDD表2減少天線數(shù)和MIMO層數(shù)的終端成本評估制式參照組RedCap天線配置終端成本降低/%FR1FDD2Rx/1Tx~37FR1TDD4Rx/1Tx2Rx/1Tx~40~60FR22Rx/1Tx~40頻段應支持的最小接收天線數(shù)是2Rx或1Rx一直是爭議的焦點。減少射頻通道數(shù)可大幅降低終端成本，但同時也將影響終端性能和RedCap終端的業(yè)務體驗。另一方面，從終端結構上，可穿戴設備等終端尺寸較小，通常采用緊湊型的硬件設計，若放置多根天線，無法滿足天線之間最小隔離要求，嚴重影響性能[10-11]。FR2頻段，RedCap可支持的最小接收天線數(shù)均為1Rx的方案。2.1.3半雙工模式半雙工FDD(HD-FDD)方案指終端在不同頻率上 (FD-FDD)相比，半雙工FDD可放松對射頻前端內的器件要求，采用成本較低的收發(fā)天線開關和低通濾波器來替代雙工器，進而縮減復雜度/成本。RedCap采半雙工FDD的引入，為基站調度帶來了挑戰(zhàn)。NR系統(tǒng)中針對不同的信號存在多種調度方式，包括半靜態(tài)調度、動態(tài)調度等，終端側可能存在同時進行下行接收和上行發(fā)送的需求，即發(fā)生碰撞沖突。3GPP將潛在的碰撞沖突歸為9個類型，并為每種沖突制定解決方案。2.1.4放松調制要求降低終端的最大調制階數(shù)，可以減少射頻與基帶處理量，進而降低終端復雜度/成本。RedCap終端的必選方案采用下行最高64QAM的調制階數(shù)，256QAM僅作為可選項。根據3GPP評估，降低調制階數(shù)可帶來約6%的終端成本降低。2.2RedCap終端識別和訪問限制5G系統(tǒng)中，RedCap終端將和其他類型的5G終端共享5G網絡資源，為避免對存量終端的性能影響，5G網絡應具備識別終端類型的能力，且能夠限制RedCap終端接入小區(qū)。3GPP通過R17新定義的UE特征組可獲取RedCap用戶類型。此外，RedCap用戶支持隨機接入過程中的早期識別。對于4步RACH，RedCap終端的早期識別在Msg1和/或Msg3進行。對于2步RACH，RedCap終端的早期識別在MsgAPRACH進行。5G網絡可通過RRC拒絕連接、RRC連接釋放和基于UE的訪問限制機制等，實現(xiàn)RedCap特定的訪問限制功能，合理配置網絡資源，避免出現(xiàn)網絡超負載的情況。122023/03/DTPT5GRedCap關鍵技術研究技術前沿TechnologyFrontier2.3RedCap節(jié)能方案RedCap課題早期研究主要考慮3種節(jié)能技術：減于SI階段的評估證明PDCCH監(jiān)控次數(shù)降低會帶來PDCCH性能的降低，因此沒有采納減少PDCCH盲檢次數(shù)的方案，最終只有eDRX增強和RRM測量發(fā)送方案被納入Rel-17RedCap技術標準。RedCap的eDRX操作包括終端節(jié)電分析、eDRX周期的上下限以及eDRX的機制分析，具體地，針對RedCap的空閑態(tài)和非激活態(tài)定義eDRX操作；空閑態(tài)下的DRX周期最大可擴展到10485.76s，最小值為2.56s；非激活態(tài)下eDRX周期最大可擴展到10.24s，seDRXs采用尋呼窗機制發(fā)送尋呼消息。RedCap的RRM測量放松機制適用于對鄰小區(qū)的測量，可支持空閑態(tài)、非激活態(tài)和連接態(tài)，是否啟用Rel-17的RRM測量放松機制可由網絡決定。Rel-17的增強方案包括引入不同狀態(tài)下的鄰區(qū)RRM測量放松方案，增加RRM測量時的可用測量資源，達到提高測量精度，降低能耗的目的。3RedCap性能分析根據3GPP協(xié)議，用戶的峰值速率可由式(1)計datarate(Mbit/s)=10-6× 式中：J——載波數(shù)量f(j)——由高層指示的比例因數(shù)，取值可設為1μ——子載波間隔[13]T——OFDM符號的時間長度N(j),μ——在帶寬和子載波間隔確定后可支持的OH(j)——開銷占比FR1頻段下行速率計算的開銷可設置為0.14，F(xiàn)R1頻段上行速率計算的開銷可設置為0.08。針對3.5GHz頻段和2.1GHz頻段，RedCap峰值速率評估的參數(shù)配置如表3所示。表3RedCap速率評估參數(shù)配置參數(shù)取值仿真頻段/GHz3.52.1系統(tǒng)帶寬/MHz40子載波間隔/kHz30幀結構2.5ms雙周期；-用戶帶寬/MHz20終端天線配置2Rx/1Tx或1Rx/1Tx最大調制階數(shù)4QAMRedCapUE.5GHz頻段和2.1GHz頻段的峰值速率如圖2所示。從圖2可以看出RedCap的峰值速率可以滿足工業(yè)傳感器和視頻監(jiān)控的速率需求。對于可穿戴設備場景，僅有FDD頻段可以滿足其峰值速率需求，這是因為雖然RedCap用戶帶寬均為20MHz，但TDD幀結構的上下行資源配比限制了其峰數(shù)不同，1T2R的峰值速率是1T1R的2倍。頻段頻段3.5GHz頻段21GHz速率/(速率/(Mbit/s)060402001T2R-DL1T2R-UL1T1R-DL1T1R-UL天線模式圖23.5GHz頻段與2.1GHz頻段RedCap用戶峰值速率總體來說，TDD頻段和FDD頻段引入RedCap各有優(yōu)勢。FDD頻段可以達到較高的峰值速率，但5GFDD頻段的帶寬較窄，當用戶數(shù)增多的情況下，可能導致網絡負載提升。TDD頻段雖然峰值速率略低，但也基本可以滿足多數(shù)場景的需求，且3.5GHzTDD頻段具有100MHz大帶寬，豐富的帶寬資源可容納較多的RedCap用戶。此外，實際的商用還應考慮現(xiàn)網中各郵電設計技術/2023/0313技術前沿TechnologyFrontier5GRedCap關鍵技術研究個頻段的商用部署情況、連續(xù)覆蓋能力等。4RedCap發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和展望3GPP立項之初，即得到了行業(yè)的高度關注。RedCap具備在5G網絡中與其他類型的5G終端共存的優(yōu)勢，可基于現(xiàn)有5G網絡進行功能升級，充分利用5G網絡5GRedCap的關鍵技術可以具備不同的商用進程。首先，應首先實現(xiàn)Rel-17RedCap最基本的功能終端類型的上報和識別。其次，HD-FDD技術方案在調度功能上實現(xiàn)復雜度較高且可帶來的成本增益較少，可在部署的中期實現(xiàn)。對于RedCap節(jié)能技術方案，一方面，RedCap設備可采用文中提到的eDRX和RRM測量放松方案，另一方面，3GPPRel-15~Rel-17制定的其他終端節(jié)能技術標準也可納入考慮。最后，度定位等優(yōu)勢。3GPPRel-17RedCap國際標準制定工作已全部完成，預計將隨著5G網絡的Rel-17技術升級具備商用條件，行業(yè)將快速開展試驗試點及商用部署，從單BB戶共存時的網絡性能變化、終端待機時間等多個角度驗證其性能，評估其在不同頻段商用的特點，為商用后續(xù)的標準化進程，完善技術方案，達到更全面的5G物聯(lián)網技術支持能力。5結束語綜上所述，RedCap將5G的應用場景擴展至可穿戴設備等物聯(lián)網領域，Rel-17RedCap通過多種技術方案實現(xiàn)RedCap的復雜度及成本降低、終端能耗降低、終端類型識別和網絡接入管控的目的。通過理論計算給出了RedCap峰值速率和在不同頻段的應用特點。隨著3GPPRel-17版本的凍結，產業(yè)界開發(fā)的RedCap產品將逐步完善，RedCap的端到端技術驗證也即將開G在垂直行業(yè)的應用。參考文獻： 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